发酵液的预处理和固液分离方法
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发酵液的处理
影响絮凝效果的因素：
1) 絮凝剂浓度
2) 絮凝剂分子量
3) 絮凝剂类型
4) 溶液的pH
5) 搅拌速度和时间
6) 助凝剂
A. 絮凝剂浓度
浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量会引起吸 附饱和，在胶粒上形成覆盖层而产生再次稳定现象。
B. 高分子絮凝剂分子量
分子量提高、链增长，可使架桥效果明显，但分子量 不能超过一定的限度，因为随分子量提高，高分子絮凝剂
发酵液的预处理和固液分离方法
山东农业大学 孙中涛
预处理和固液分离的目的：
1、分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸 和蛋白质的沉淀物)。
2、除去部分可溶性杂质。
3、改变滤液的性质（降低粘度等），以利于后继操作。
总策略： 1、胞外产物：应尽可能转移到液相中，常 用调pH至酸性或碱性的方法来达到。 2、胞内产物：首先收集细胞、破壁，生化物 质释放到液相，再分离细胞碎片。 3、通常，以含生化物质的液相为出发点，进 行后继操作。
使蛋白质变性的其它办法：
大幅度改变pH，加酒精、丙酮等有机溶剂 或表面活性剂等。
在抗生素生产中，常将发酵液pH调至偏酸性 范围(pH2—3)或较碱性范围(pH 8—9）使蛋白质 凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。
加有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数 量较少的场合。
利用吸附作用除去蛋白质：
举例：
3、采用酶制剂分解黏性物质
如果发酵液中有不溶解的多糖存在，则最好用酶将它转化
为单糖，以提高过滤速度。 例如：万古霉素用淀粉作培养基，加入淀粉酶后，能使过 滤速度加快。
4、染菌发酵液的处理方法
混凝：
阳离子型高分子絮凝剂对带负电菌体或蛋白质来说，同时 具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理，所以可以 单独使用， 非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，主要通过分子间引力 和氢键产生吸附架桥，常与无机电解质凝聚剂搭配使用。 首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再 加入絮凝剂。凝聚作用为絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从 而，提高了絮凝效果。 这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝。
发酵液预处理及固液分离方法
51
转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓 慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、 卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。
52
转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
29
（一） 过 滤 filtration
借助于过滤介质，在一定的压力差作用下， 使 悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被 截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。
30
1、滤饼过滤： 介质：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。 适用于：固体含量>0.1g/100ml
31
过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液表面加压 • 过滤介质下方抽真空 • 离心力
18
发酵液的预处理和固液分离技术
二 预处理-降低发酵液粘度
方法
提高温度 －确保目的产物稳定性
加水稀释－过滤速度需提高稀释 数倍以上
三 预处理-调节pH
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋 白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
20
六 预处理-加入助滤剂
例硅藻土、淀粉、活性 炭、石英砂、石棉粉、 纤维素、白土等。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
53
带式真空过滤机
• 带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工 艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗 低的一种新型高效的脱水设备。
54
带式真空过滤机流程
• 1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连 续进行。 2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤 、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速， 对不同物料有广泛的适应性。
转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约90°-130°，圆筒缓 慢旋转时(转速约0.5-2r／min)，筒内每一空间相继与分 配头中的3个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、 卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区， 卸渣及再生区3个区域。
52
转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
29
（一） 过 滤 filtration
借助于过滤介质，在一定的压力差作用下， 使 悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被 截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。
30
1、滤饼过滤： 介质：滤布，滤饼达到一定厚度起过滤作用。 适用于：固体含量>0.1g/100ml
31
过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液表面加压 • 过滤介质下方抽真空 • 离心力
18
发酵液的预处理和固液分离技术
二 预处理-降低发酵液粘度
方法
提高温度 －确保目的产物稳定性
加水稀释－过滤速度需提高稀释 数倍以上
三 预处理-调节pH
调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋 白质的有效方法。
影响离子型絮凝剂的电离度。
20
六 预处理-加入助滤剂
例硅藻土、淀粉、活性 炭、石英砂、石棉粉、 纤维素、白土等。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
53
带式真空过滤机
• 带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工 艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗 低的一种新型高效的脱水设备。
54
带式真空过滤机流程
• 1、进料→过滤→滤饼洗涤→吸干→卸料→滤布清洗连 续进行。 2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤 、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速， 对不同物料有广泛的适应性。
发酵液预处理和固液分离
1.2.3 常用的凝聚剂与絮凝剂
➢ 凝聚剂
• 铝盐，铁盐，钙盐，锌盐
➢ 絮凝剂
• 阳离子型：阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二烷基胺乙酯 ，聚二烯丙基四胺盐。
• 阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木质素磺酸盐 • 非离子型：聚氧乙烯 • 无机高分子类：聚合铝盐，聚合铁盐 • 天然类：壳聚糖，葡聚糖 • 微生物类
➢ 预处理的目的 • 改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固 液分离器的效率 • 尽可能使物质转入便于后续处理的某一相中 • 去除发酵液中杂质，利于后续各步操作
➢ 预处理的方法 • 加热-加速聚集，去除某些蛋白质 • 调pH-促进聚集作用 • 凝聚和絮凝-增大颗粒有效尺寸，加快沉降速率
2.3.1 板框压滤机
➢ 自动板框过滤机：
是一种较新型的压滤设备，板框的拆装，滤渣的脱落卸出和滤布 的清洗等操作都能自动进行，大大缩短了非生产的辅助时间和减 轻了劳动强度。
板框操作实例-进料
板框操作实例-卸料
2.3.2 鼓式真空过滤机
鼓式真空过滤机能连续操作，并能实现自动化控制，但是压差较 小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。而对菌体较细或粘稠的发酵 液不太适用。
螺旋式
卧式
• 含固量较多 发酵液的主要 分离方式 • 操作温度可 达300度 • 胰岛素，细 胞色素，胰酶
发酵液的预处理
1 发酵液的预处理
➢主要杂质预处理 ➢凝聚与絮凝
2 发酵液固液分离
➢影响固液分离的因素 ➢过滤 ➢固液分离器
3 全发酵液提取
3 全发酵液提取
扩张床技术
两水相技术
膜技术
• 相当于过滤、浓缩和吸附的综合效果 • 连接的配基容量需求大 • 膜污染问题严重
14 发酵液的预处理和固液分离方法
发酵液预处理的方法—助滤剂
助滤剂的使用方法有： 在滤布上预涂一层助滤剂，作为过滤介质 使用，待滤毕后与滤饼一起除去； 助滤剂按一定比例均匀地混入待滤的悬浮 液中，然后一起进入过滤机，使其形成较 松的滤饼，降低其可压缩性，让滤液可以 顺畅流通。
发酵液预处理的方法—助滤剂
可用为惰性助滤剂的材料很多，如： 硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、 未活化的碳、炉渣、重质碳酸钙或这些 材料的混合物。 在使用时，要根据目的产物、过滤 介质及过滤情况来选择助滤剂的品种。 此外，助滤剂的粒度、用量也是值 得考虑的因素。
固液分离—离心沉降
d 2 s u 18
2
在离心力场中，重力加速度应换成离 心加速度。这样，只要根据要求改变或提 高 ，使粒子作快速旋转，就可获得比重力 觉降或过滤时高得多的分离效果。可用离 心分离因子Fr来定量评价。
固液分离—离心沉降
Fr
2
g
Fr 表示了粒子在离心机中产生的离心加 速度与自由下降的加速度之比； Fr 越大，越 有利于分离。 在实践中常按 Fr 值的大小对离心机进行分类： Fr <3000 ，为常速度离心机； Fr=3000~5000 ， 为 中 速 离 心 机 ； Fr>5000 为 高 速 离 心 机 ； Fr=2*104~106为超速成离心机。
发酵液预处理的方法—反应剂
在发酵液中加入某些不影响目的产物 的反应物，以消除发酵液中的某些杂质对 过滤的影响，提高过滤效率。
固液分离
固液分离—过滤法
过滤不但是传统的化工单元操作，而 且是目前工业生产中用于分离细胞和不溶 性物质的主要方法，其操作是迫使液体通 过固体支承物或过滤介质，把固体截留， 从而达到固、液分离的目的。
发酵液预处理和固液分离原理及方法
发酵液预处理和固液分离原理及方法摘要：本文对发酵液预处理的方法、工艺，固液分离原理和工艺进行了简单的阐述让我们了解到发酵液预处理的各种方法与重要性。
固液分离是一个很复杂的过程，本文从固液分离的理论基础作为切入点，深入的探讨了固液分离原理与工艺。
关键词：发酵液预处理固液分离工艺引言从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。
其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。
正文：一、发酵液预处理工艺各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择也有所不同。
大多数发酵产物存在于发酵液中，但也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都含有，但无论产物是在胞内，还是在胞外或者是菌体本身，首先都要对发酵液进行过滤和预处理，将固、液分开，然后才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行细胞破碎、碎片的分离和提取胞内产物。
预处理的方法完全取决于可分离物质的性质，如对PH和热的稳定性、是蛋白质还是非蛋白质、分子的质量和大小等等。
具体方法主要有以下几种：1、加热法加热法是最简单和价廉的预处理方法，即把悬浮液加热到所需温度并保温适当时间。
加热可降低液体的黏度，根据流体力学的原理，滤液通过滤饼的速率与液体的黏度成反比，可见降低液体黏度可有效提高过滤速率；同时，在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。
例如，链霉素发酵液，调酸至PH3.0后，加热至70℃，维持半小时，其黏度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10～100倍。
使用加热法时必须严格控制加热温度和时间。
首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；其次，温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响产物后续的分离与纯化。
因此，加热法的关键取决于产品的热稳定性。
02发酵液的预处理和固液分离
30
3）无机高分子聚合物
有聚合铁系和铝系两大类 铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影
响小，亲和力强，能有效地去除悬浮物、表面 活性剂、破坏油水乳状液的能力很强等优点， 缺点腐蚀性强、稳定性差。 铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金 属盐絮凝剂，絮凝效果好，缺点具毒性等。
31
微生物絮凝剂
对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去 除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。
对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破 碎和碎片分离，然后提取胞内产物。
4
2.1 发酵液的预处理
（Pretreatment ）
5
为何要对发酵液进行预处理？
发酵液的基本特性
发酵产物浓度较低，大多为1-10%， 悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似。 可压缩性 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； 悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动
采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发 酵液较易分离。
24
絮凝
絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分 子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其链 节上含有许多活性官能团，包括离子基团以及非离子 型基团。 它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强 烈地吸附在胶粒的表面。 当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的 胶粒表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产 生絮凝作用。
36
c.溶液pH
溶液pH的变化会影响絮凝 剂功能团的电离度，从而影 响分子链的伸展形态。 电离度增大，链节上相邻 离子基团间的电排斥作用， 使分子链从卷曲状态变为伸 展状态，架桥能力提高。
37
（三） 混 凝
对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子 型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和 产生吸附桥架的双重机理，单独使用可达到较好 絮凝效果； 对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用 凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果。 这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。
3）无机高分子聚合物
有聚合铁系和铝系两大类 铁系絮凝剂具有操作简单、费用低，受温度影
响小，亲和力强，能有效地去除悬浮物、表面 活性剂、破坏油水乳状液的能力很强等优点， 缺点腐蚀性强、稳定性差。 铝系是目前应用广、工艺较成熟的一类无机金 属盐絮凝剂，絮凝效果好，缺点具毒性等。
31
微生物絮凝剂
对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去 除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。
对于胞外产物，首先富集菌体，再进行细胞破 碎和碎片分离，然后提取胞内产物。
4
2.1 发酵液的预处理
（Pretreatment ）
5
为何要对发酵液进行预处理？
发酵液的基本特性
发酵产物浓度较低，大多为1-10%， 悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似。 可压缩性 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； 悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动
采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发 酵液较易分离。
24
絮凝
絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分 子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其链 节上含有许多活性官能团，包括离子基团以及非离子 型基团。 它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强 烈地吸附在胶粒的表面。 当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的 胶粒表面上，产生架桥联结时，就形成较大絮团，产 生絮凝作用。
36
c.溶液pH
溶液pH的变化会影响絮凝 剂功能团的电离度，从而影 响分子链的伸展形态。 电离度增大，链节上相邻 离子基团间的电排斥作用， 使分子链从卷曲状态变为伸 展状态，架桥能力提高。
37
（三） 混 凝
对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子 型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和 产生吸附桥架的双重机理，单独使用可达到较好 絮凝效果； 对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用 凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果。 这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。
第二章发酵液的预处理和固液分离方法
采用凝聚和絮凝技术能有效地除去杂蛋 白质和固体杂质，提高滤液质量。
1．凝聚
凝聚是指在电解质作用下，由于胶 粒之间双电层电排斥作用降低，电位下 降，而使胶体体系不稳定的现象。
在生理pH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常 常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中 带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上 形成双电层。
应用实例：
在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易 与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸附 分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。
细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某 个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒， 有利于过滤的进行。
三、凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子 物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒， 便于提高过滤速率；
第二章 发酵液的预处理 和固液分离方法
发酵液预处理的目的
①改变发酵液的物理性质，提高固液 分离效率；
②尽可能使产物转入便于后处理的某 一相中(多为液相)；
③去除发酵液中部分杂质，以利于提 取和精制后续各工序的顺利进行。
2.1 发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的特性
① 发酵产物浓度较低，而且悬浮液中大部分是水； ② 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③ 固体粒子可压缩性大； ④ 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑤ 性质不稳定，随时间变化。
改善发酵 液过滤特 性的物理 化学方法
调酸(等电点) 热处理 电解质处理 添加凝聚剂 添加表面活性物质 添加反应剂 冷冻－解冻 添加助滤剂
一、降低液体粘度
根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速 率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可 有效提高过滤速率。
降低液体粘度的常用方法 加水稀释法 加热法
加水稀释法
1．凝聚
凝聚是指在电解质作用下，由于胶 粒之间双电层电排斥作用降低，电位下 降，而使胶体体系不稳定的现象。
在生理pH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常 常带有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中 带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上 形成双电层。
应用实例：
在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易 与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸附 分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。
细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某 个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒， 有利于过滤的进行。
三、凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变大分子 物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒， 便于提高过滤速率；
第二章 发酵液的预处理 和固液分离方法
发酵液预处理的目的
①改变发酵液的物理性质，提高固液 分离效率；
②尽可能使产物转入便于后处理的某 一相中(多为液相)；
③去除发酵液中部分杂质，以利于提 取和精制后续各工序的顺利进行。
2.1 发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的特性
① 发酵产物浓度较低，而且悬浮液中大部分是水； ② 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③ 固体粒子可压缩性大； ④ 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑤ 性质不稳定，随时间变化。
改善发酵 液过滤特 性的物理 化学方法
调酸(等电点) 热处理 电解质处理 添加凝聚剂 添加表面活性物质 添加反应剂 冷冻－解冻 添加助滤剂
一、降低液体粘度
根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速 率与液体的粘度成反比，降低液体粘度就可 有效提高过滤速率。
降低液体粘度的常用方法 加水稀释法 加热法
加水稀释法
发酵液预处理办法细胞破碎和固液分离
❖ 化学试剂处理
表面活性剂：十二烷基磺酸钠（SDS)，Triton X100,十四烷基胺盐(CTAB);
螯合剂：乙二胺四乙酸（EDTA），与金属离子结合， 如阴性菌外层Mg2+、Ca2+处理的方法;
有机溶剂:如苯、甲苯、丁醇、丙酮、氯仿及尿素。 这些试剂容易引起生化物质破坏，还会带来分离和 回收化学物质的问题。
过滤助剂
过滤助剂可解决两个问题
➢滤饼的可压缩性问题 ➢小粒子如菌丝碎片和细菌细胞，会渗入到转
鼓真空过滤预覆盖层内部，堵塞部分孔。
常用的过滤助剂 硅藻土、珍珠岩、活性白土
助滤剂两种加入方法
助滤剂用量等于悬浮 液中固体含量
预先铺一层助滤剂 (1~2mm)
（2） 过滤设备
➢板框过滤机 ➢真空转鼓过滤机 ➢加压叶滤机 ➢带式过滤机 ➢袋式过滤机
非机械方法 ：辅助方法
– 2.2.3.2 化学和生物化学渗透 （1）酸碱处理；（2）化学试剂处理； （3）酶溶 – 2.2.3.3 物理渗透法 （1）渗透压冲击；（2）冻结-融化法
2.2.3.1 机械破碎
细胞匀浆液
（1）
阀座
高
压
匀 细胞悬浮液
浆
法
碰撞环 阀
图2.11 高压匀浆器结构简图
• 破碎原理：
• 离心转速r=5000 r/min，半径R=30 cm， • 离心力？g
Zg=8385g Z=1.118×10-5×(r)2×R
超离心法
分为：差速离心，区带离心。
差速离心(differential centrifugation)
主要是采取逐渐提高离心速度的方法分离
不同大小的细胞器。
区带离心（Zonal centrifugation）
表面活性剂：十二烷基磺酸钠（SDS)，Triton X100,十四烷基胺盐(CTAB);
螯合剂：乙二胺四乙酸（EDTA），与金属离子结合， 如阴性菌外层Mg2+、Ca2+处理的方法;
有机溶剂:如苯、甲苯、丁醇、丙酮、氯仿及尿素。 这些试剂容易引起生化物质破坏，还会带来分离和 回收化学物质的问题。
过滤助剂
过滤助剂可解决两个问题
➢滤饼的可压缩性问题 ➢小粒子如菌丝碎片和细菌细胞，会渗入到转
鼓真空过滤预覆盖层内部，堵塞部分孔。
常用的过滤助剂 硅藻土、珍珠岩、活性白土
助滤剂两种加入方法
助滤剂用量等于悬浮 液中固体含量
预先铺一层助滤剂 (1~2mm)
（2） 过滤设备
➢板框过滤机 ➢真空转鼓过滤机 ➢加压叶滤机 ➢带式过滤机 ➢袋式过滤机
非机械方法 ：辅助方法
– 2.2.3.2 化学和生物化学渗透 （1）酸碱处理；（2）化学试剂处理； （3）酶溶 – 2.2.3.3 物理渗透法 （1）渗透压冲击；（2）冻结-融化法
2.2.3.1 机械破碎
细胞匀浆液
（1）
阀座
高
压
匀 细胞悬浮液
浆
法
碰撞环 阀
图2.11 高压匀浆器结构简图
• 破碎原理：
• 离心转速r=5000 r/min，半径R=30 cm， • 离心力？g
Zg=8385g Z=1.118×10-5×(r)2×R
超离心法
分为：差速离心，区带离心。
差速离心(differential centrifugation)
主要是采取逐渐提高离心速度的方法分离
不同大小的细胞器。
区带离心（Zonal centrifugation）
发酵液的预处理和固液分离方法
章 发酵液的预处理和固液分离方法
处添加文本具体内容，简明扼要地阐述你的观点。单击此处添加正文，文字是您思想的 请尽量言简意赅的阐述观点。
一.发酵液的预处理： 二.凝聚和絮凝技术： 三.发酵液的过滤：
一.生化分离工 程的工艺流程：
目录
CONTENTS
01 发 酵 液 的 预 处 理 技 术 ：
单击添加文本体内容
1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型： 阴离子型：（含-COOH） 阳离子型：（含-NH2）
2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐 聚合铁盐
3.天然有机高分子絮凝剂 明胶 海藻酸钠 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
四.发酵液的过 滤：
通常微生物的发酵液多属非 牛顿型液体，具可压缩性。
絮凝原理
01 架桥连接 02 絮凝作用的影响因素 03 常用絮凝剂的种类
絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。
○ 溶液的pH：pH主要影响离 子型絮凝剂中功能团的电离 度，从而影响了分子链的伸 展状态，改变了架桥能力。
○ 搅拌速度和时间： ○ 助滤剂：添加助滤剂能增加
絮凝效果。
絮凝作用的影响因素：
常用絮凝剂的 种类：
在恒压条件下，可压缩性滤 饼的比阻值rB视为常数，其 过滤方程为：
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ 据滤饼的重量比阻rB可衡量
不同发酵液过滤的难易程度。 rB越小越易过滤，单位面积 滤液量q越大。
1
过滤方程式： 2
01
板框压缩机 鼓式真空过滤机 离心分离机 错流过滤系统
02
固液分离设备：
02 胶 粒 能 保 持 分 散 状 态 的 原 因 单击添加文本具体内容
处添加文本具体内容，简明扼要地阐述你的观点。单击此处添加正文，文字是您思想的 请尽量言简意赅的阐述观点。
一.发酵液的预处理： 二.凝聚和絮凝技术： 三.发酵液的过滤：
一.生化分离工 程的工艺流程：
目录
CONTENTS
01 发 酵 液 的 预 处 理 技 术 ：
单击添加文本体内容
1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型： 阴离子型：（含-COOH） 阳离子型：（含-NH2）
2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐 聚合铁盐
3.天然有机高分子絮凝剂 明胶 海藻酸钠 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
四.发酵液的过 滤：
通常微生物的发酵液多属非 牛顿型液体，具可压缩性。
絮凝原理
01 架桥连接 02 絮凝作用的影响因素 03 常用絮凝剂的种类
絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。
○ 溶液的pH：pH主要影响离 子型絮凝剂中功能团的电离 度，从而影响了分子链的伸 展状态，改变了架桥能力。
○ 搅拌速度和时间： ○ 助滤剂：添加助滤剂能增加
絮凝效果。
絮凝作用的影响因素：
常用絮凝剂的 种类：
在恒压条件下，可压缩性滤 饼的比阻值rB视为常数，其 过滤方程为：
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ 据滤饼的重量比阻rB可衡量
不同发酵液过滤的难易程度。 rB越小越易过滤，单位面积 滤液量q越大。
1
过滤方程式： 2
01
板框压缩机 鼓式真空过滤机 离心分离机 错流过滤系统
02
固液分离设备：
02 胶 粒 能 保 持 分 散 状 态 的 原 因 单击添加文本具体内容
发酵液预处理与固液分离
发酵液的预处理和固液分离方法综述鲁彬彬1002011044摘要：从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。
其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。
关键字：预处理固液分离正文：一、发酵液预处理微生物发酵和细胞培养的目标产物主要有菌体、胞内产物和胞外产物三类物质。
从发酵液和细胞培养液中提取所需的生化物质，第一步就需进行预处理，以便于固液分离，使代谢产物后续的分离纯化工序顺利进行。
其原因有三个方面：首先，发酵液多为悬浮液，粘度大，为非牛顿型流体，不易过滤，而所需的生化物质往往只有分布在液相，才能有效地提纯。
并且，在有些发酵液中，菌体自溶，核酸、蛋白质及其他有机粘性物质这三类物质会造成滤液混浊、滤速极慢，必须设法增大悬浮物的颗粒直径，提高沉降速度，以利于过滤；其次，目标产物在发酵液中的浓度通常较低；此外，发酵液的成分复杂，大量的菌丝体、菌种代谢物和剩余培养基会对提取造成很大的影响。
所以，对发酵液进行适当的预处理，从而分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（如细胞碎片、核酸以及蛋白质的沉淀物），并除去部分可溶性杂质和改变发酵液的过滤性能，是生化物质分离纯化过程中必不可少的首要步骤。
预处理方法要根据发酵产品、所用菌种和发酵液特性来选择。
大多数发酵产品存于发酵液中，少数存于菌体中，而发酵液和菌体中都有产物存在的情形也比较常见。
如果目的产物是胞外产物，则通过离心或过滤实现固液分离，使其转入液相；而对于胞内产物而言，收集细胞是预处理的首要一步。
细胞经破碎或整体细胞萃取使目的产物释放，转入液相，再进行细胞碎片的分离。
如果所需的产物为细胞，离心或过滤所得固相经干燥等过程就可得到菌体。
图1－1为生化产品分离纯化的一般步骤，图中虚线以上为预处理过程示意图。
图1－1 生化产品分离纯化的一般步骤【1】1.1 预处理简述发酵液经过预处理，一些物理性质会改变，从悬浮液中分离固形物的速度随之提高，过滤操作更易进行；在预处理过程中，产物大多转移进入易于后处理的相中（一般为液相）。
发酵液预处理
发酵液的预处理和固液分离方法从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个必要步骤就是预处理和固液分离.14.1 发酵液的预处理从悬浮液中分离固形物的速度,取决于该液体的物理性质,常采用预处理的办法改变其物理性质而促其分离.细菌及某些放线菌菌体细小,发酵液粘度大,不能直接过滤.由于菌体自溶,核酸,蛋白质及其它有机粘性物质的存在会造成滤液浑浊,滤速极慢.因此,在预处理中应采用絮凝或凝聚的方法,设法增大悬浮液中固体粒子的大小,提高其沉降速度,或采用稀释,加热等方法降低粘度,以利于过滤.发酵液中杂质很多,其中对提炼影响最大的是高价无机离子(Ca++,Mg十+,Fe++)和杂蛋白质等.高价无机离子的存在,会影响树脂对生化物质的交换容量.杂蛋白质的存在,不仅在采用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降低其吸附能力,而且在采用有机溶剂或两水相萃取时,容易产生乳化,使两相分离不清,在预处理时,应尽量除去这些物质.14.1 高价无机离子的去除方法为去除钙离子,宜加入草酸,可用其可溶性盐,如草酸钠.反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固,提高滤液(也称为原液)质量.但草酸价格较贵,加入硫酸铅,在60℃下反应生成草酸铅.后者在90-95℃下用硫酸分解,经过滤,冷却,结晶后可以回收草酸.草酸镁的溶解度较大.故加入草酸不能除尽镁离子.要除去镁离子,可以加入三聚磷酸钠,它和镁离子形成可溶性络合物:Na5P3O10+Mg++=Mg Na Na3P3O10+2Na十用磷酸盐处理,也能大大降低钙离子和镁离子的浓度.要除去铁离子,可加入黄血盐,使形成普鲁士蓝沉淀.14.l.2 杂蛋白质的去除方法蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中.胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关.蛋白质在某一pH下,净电荷为零,溶解度最小,称为等电点.因为羧基的电离度比氨基大,故蛋白质的酸性性质通常强于碱性,因而很多蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH 4.0-5.5).但单靠调节pH至等电点的办法不能将大部分蛋白质除去.在酸性溶液中,蛋白质能与一些阴离子如三氯乙酸盐,水杨酸盐,钨酸盐,苦味酸盐,鞣酸盐,过氯酸盐等形成沉淀;在碱性溶液中,能与一些阳离子,如Ag十,Cu++,Zn十十,Fe++和Pb++等形成沉淀.变性蛋白质溶解度较小.最常用的使蛋白质变性的方法是加热.加热还能使液体粘度降低,加快过滤速度.该法只适用于对热较稳定的生化物质.使蛋白质变性的其它办法还有:大幅度改变pH,加酒精,丙酮等有机溶剂或表面活性剂等.在抗生素生产中,常将发酵液pH 调至偏酸性范围(pH 2-3)或较碱性范围(pH 8一9)使蛋白质凝固,一般以酸性下除去的蛋白质较多.加有机溶剂使蛋白质变性的方法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合.此外,还可以利用吸附作用除去蛋白质.例如,四环类抗生素生产中,采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3〔Fe(CN)5〕2的胶状沉淀来吸附蛋白质.在枯草杆菌发酵液中,常加入氯化钙和磷酸氢二钠,这两者本身生成庞大的凝胶,把蛋白质,菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,从而加快了过滤速度.14.l.3 凝聚和絮凝技术凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞,菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态,使聚集起来,增大体积,以便于过滤,常用于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理中.凝聚和絮凝的概念凝聚是在中性盐作用下,由于双电层排斥电位的降低,而使胶体体系不稳定的现象.絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下,基于架桥作用,使胶粒形成粗大的絮凝团的过程,是一种以物理的集合为主的过程.发酵液中的细胞,菌体或蛋白质等胶体粒子的表面,一般都带有电荷,主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离.通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷,由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒子(即正离子)被吸附在其周围,在界面上形成了双电层.但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响,具有离开胶粒表面的趋势,在这两种相反作用的影响下,双电层就分裂成两部分,在相距胶核表面约一个离子半径的Stern平面以内,正离子被紧密束缚在胶核表面,称为吸附层或紧密层;在stern平面以外,剩余的正离子则在溶液中扩散开去,距离越远,浓度越小,最后达到主体溶液的平均浓度,称为扩散层.这样就形成了扩散双电层的结构模型,如图14-1所示.当胶粒在溶液中作相对运动时,总有一薄层液体,随着它一起滑移,这一薄层,厚度比吸附层稍大,滑移面(剪切面)在图14-l中用波纹线表示.这三种电位中只有ζ电位能实际测得,所以可以认为它是控制胶粒间电排斥作用的电位,用来表征双电层的特征,并作为研究凝聚机理的重要参数.胶粒能保持分散状态的原因主要是带有相同电荷和扩散双电层的结构,一旦由于布朗(Brown)运动使粒子间距离缩小到它们的扩散层部分重叠时,即产生使两个粒子分开:从而阻止了粒子的聚集.ζ电位越大,电排斥作用就越强,胶粒的分散程度也越大,此外,由于胶粒表面的水化作用,形成了包围于粒子周围的水化层,也能阻碍胶粒间的直接聚集.但是,水化膜主要是伴随胶粒带电而引起的,一旦ζ电位降低或消除,水化层也会随之减弱或消失.根据静电学基本定理,可导出ζ电位的基本公式为:ζ=4πqδ/D其中D—水的介电常数;q—胶体的电动电荷密度,即滑移面上的电荷密度;δ—扩散层的有效厚度,即为吸附层和扩散层界面处电位φd降低到其值为1/e处的距离,可知,ζ电位与扩散层厚度δ和电动电荷密度q成正比,而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关,当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时,由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来.由此可见,在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质,能降低ζ电位和脱除胶粒表面的水化膜,就能导致胶粒间的凝聚作用.常用的凝聚剂电解质有:Al2(SO4)3·18H2O(明矾);AlC13·6H2O;FeC13;ZnSO4;MgCO3等.有机高分子聚合物絮凝剂,它们具有长链线状的结构,是一种水溶性的聚合物,分子量可高达数万至一千万以上,在长的链节上含有相当多的活性功能团,可以带有多价电荷(如阴离子或阳离子),也可以不带电性(如非离子型).它们通过静电引力,范德华分子引力或氢键的作用,强烈地吸附在胶粒的表面,一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上,产生了架桥联接,生成粗大的絮团,这就是架凝作用.如果胶粒相互间的排斥电位不太高,只要高分子聚合物的链节足够长,跨越的距离超过颗粒间的有效排斥距离,也能把多个胶粒拉在一起,导致架桥絮凝.目前最常见的高分子聚合物絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物.根据活性基团在水中解离情况不同,可分为非离子型,阴离子型(含有羧基)和阳离子型(含有胺基)三类.聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少,絮凝体粗大,分离效果好,絮凝速度快以及种类多等优点,所以适用范围广.它们的主要缺点是存在一定的毒性,特别是阳离子型聚丙烯酰胺,要考虑这些物质最终能否从产品中去除.近年来还发展了聚丙烯酸类阴离子絮凝剂,它们无毒,可用于食品和医药工业中.另外,还有聚苯乙烯类衍生物及无机高分子聚合物絮凝剂,如聚合铝盐和聚合铁盐等.除此以外,也可采用天然有机高分子絮凝剂.如多聚糖类胶粘物,海藻酸钠,明胶,骨胶,壳多糖和脱乙酰壳多糖等.对于带负电性菌体或蛋白质来说,阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低粒子排斥电位和产生吸附架桥的双重机理,所以可以单独使用.对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂,则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附架桥,它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用.首先加入无机电解质,使悬浮粒子间的相互排斥能降低,脱稳而凝聚成微粒,然后,再加入絮凝剂.无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件,从而,提高了絮凝效果.这种包括凝聚和絮凝机理的过程,常称为混凝.絮凝剂浓度增加有助于架桥充分,但是,过多的加量反而会引起吸附饱和,在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象见图(14-2).适宜的加量通常由实验得出.虽然高分子絮凝剂分子量提高,链增长,可使架桥效果明显,但是,分子量不能超过一定的限度,因为随分子量提高,高分子絮凝剂的水溶性降低.溶液PH的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度,从而影响分子链的伸展形态.电离度增大,由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用,而使分子链从卷曲状态变为伸展状态,所以架桥能力提高.14.2 发酵液的过滤微生物发酵液中含有大量菌体,细胞或细胞碎片以及残余的固体培养基成分.过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程.14.2.4 发酵液的过滤特性和滤饼的重量比阻微生物的发酵液大多数属于非牛顿型液体,滤渣为可压缩性的.衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻rB,它表示单位滤饼厚度的阻力系数,与滤饼的结构特性有关.对于不可压缩性滤饼,比阻值为常数,但对于可压缩性滤饼,比阻rB是操作压力差的函数,一般可用下式表示: rB=r(△p)m式中r—不可压缩滤渣的比阻,对于一定的料液,其值为常数;m—压缩性指数,一般取0.5-0.8,对不可压缩性滤饼,m为0;可见,滤饼的比阻值是随操作压力差的提高而增大的.因此,开始过滤时应注意不能很快提高压差,通常靠液柱的自然压差进料,并应缓慢地,逐步地升高压力,一般在相当长的时间内,压力差不要超过0.05 MPa,最后的压差也不超过0.3-0.4 MPa.如果操作压力控制过高,由于比阻值的急剧增加,会使过滤速度很快下降,以至达到不能继续过滤的程度.恒压下,可压缩性滤饼的比阻值应为常数.如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计,则恒压下的过滤方程式如下:q2=2△pτ/μrBXB式中q--到瞬间τ,通过单位过滤面积的滤液量,m;△p—压力差,Pa;μ—滤液粘度,Pa.s;rB—滤饼的重量比阻,m/kg;XB—通过单位体积滤液,所形成的滤渣重量(干重),kg/m3;τ—过滤时间,s.14.2.2 影响过滤速度的因素过滤速度和菌种,发酵条件(培养基的组成,未用完培养基的数量,消沫油,发酵周期)等有关.菌种对过滤速度影响很大.一般,真菌的菌丝比较粗大,发酵液容易过滤,常不需特殊处理.其滤渣呈紧密饼状物,很容易从滤布上刮下来,故可采用鼓式真空过滤机过滤.放线菌发酵液菌丝细而分枝,交织成网络状.还含有很多多糖类物质,粘性强,过滤较困难,一般需经预处理,以凝固蛋白质等胶体.细菌发酵液的菌体更细小,因此,过滤十分困难,如不用絮凝等方法预处理发酵液,往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作.培养基的组成对过滤速度影响也很大.用黄豆粉,花生粉作氮源,淀粉作碳源会使过滤困难.此外,发酵后期加消沫油或剩余大量未用完的培养基,都会使过滤困难.正确选择发酵终了时间对过滤影响很大.在菌丝自溶前必须放罐,因为细胞自溶后的分解产物一般很难过滤.有时延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高,但严重影响发酵液质量,使色素和胶状杂质增多,过滤困难,最终造成成品质量降低.14.2.3 改善过滤性能的方法采用等电点,蛋白质变性,吸附以及凝聚和絮凝等方法预处理发酵液,以改变发酵液的性状和过滤性能.除此以外,改善过滤性能的方法还有:加入助滤剂,直接在发酵液中形成填充-凝固剂,媒介作用等.助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒,它能使滤饼疏松,滤速增大.助滤剂必须不吸附或很少吸附生化物质.助滤剂的加入有两种方法,一种是在滤布上预先铺一层助滤剂(l-2mm),另一种是直接加入发酵液中.有一条经验规则可供参考,即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时,滤速最快.改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂,它们能相互作用,或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀.生成的沉淀能防止菌丝体粘结,使菌丝具有块状结构,沉淀本身即可作为助滤剂,并且还能使胶状物和悬浮物凝固.如发酵液中有不溶解的多糖存在,则最好用酶将它转化为单糖,以提高过滤速度.加入淀粉酶后,能使过滤速度加快.发酵液染菌后,会含很多细菌菌体,杂质也增多,给边滤造成很大困难.处理方法有:升高温度,增加纯化剂用量,加助滤剂等.14.2.4 固一液分离设备的选择。
发酵液预处理和固液分离
当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间范德华引力 时，由于热运动的结果，导致胶粒的相互碰撞而 聚集。
由此可见，在发酵液中加入具有高价阳离子的电 解质，由于ξ电位的降低和脱除胶粒表面水化膜， 就导致了胶粒间的凝聚作用。
电解质的凝聚能力用凝聚价或凝聚值来表示
凝聚价或凝聚值： 使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度
不同界面上形成不同 的电位:
胶核表面的电位φs 是整个双电层的电位;
Stern平面上的电位 为φd;
滑移面上的电位为ζ, 称ζ电位。
ζ电位是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征 双电层的特征。
带电粒子间的静电相互作用取决于ζ电位的大小。 当双电层的ζ电位足够大时，静电排斥作用抵御分
子间的相互吸引作用，使蛋白质溶液处于稳定状态。
子直径约1-30nm，呈胶体性质; 蛋白质水化层：蛋白质分子周围存在与蛋白质
分子紧密或疏松结合的水化层。紧密结合的水 化层可达到0.35g/g蛋白质，而疏松结合的水化 层可达蛋白质分子质量的2倍以上； 静电排斥作用：
(1)胶体双电层结构
➢发酵液中菌体表面带 有负电荷，由于静电 引力使溶液中反离子 被吸附在其周围。 ➢正离子同时受到使它 们均匀分布的热运动 影响，具有离开胶粒 表面的趋势，在界面 上形成了双电层。
2）高分子絮凝剂的吸附架桥作用
3）对絮凝剂的化学结构的要求
1）其分子必须含有相当多的活性官能团，使之 能和胶粒表面相结合。
2）要求必须具有长链的线性结构，以便同时与 多个胶粒吸附形成较大的絮团，但相对分子量 不能超过一定限度，以使其有良好的溶解性。
4）工业上使用的絮凝剂
可分为四类：人工合成有机高分子聚合物、天然有机 高分子聚合物、无机高分子聚合物、微生物絮凝剂
生物分离工程 第3章-发酵液预处理和固液分离
E.离心
工业上常用
1. 离心沉降
根据固体和液体之间的密度差,利用离心机提 供的离心力实现固液分离。 沉降的难易取决于固体物质和液体的密度差, 同时还取决于固体和液体的其他性质以及离心 机的离心能力.(可以颗粒沉降速度表示)
优点：分离速度快，分离效率高,液相澄清度好, 技术易掌握；结果重复性好； 缺点：设备投资高、能耗大。
微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
细胞培养液的特殊之处
A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小，分离成本。 B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难 C、固体成分可压缩可变形 + 高黏度：过滤困难，黏附 在滤布，错流过滤形成凝胶层 D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适 E、流变性复杂，非牛顿型流体，青霉素发酵液为卡森 型流体，120h链霉素发酵液为拟塑性流体，灰色链 丝菌发酵液为塑性流体。
改善发酵液过滤特性的物理化学方法：
调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加凝
聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻
及添加助滤剂等。
1、降低液体粘度：稀释、升高温度
（1）加水稀释法
加水稀释法能降低液体粘度，但会增加悬浮液的 体积，加大后继过程的处理任务。而且，单从过滤操 作看，稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比 才能认为有效，即若加水一倍，则稀释后液体的粘度 必须下降50％以上才能有效提高过滤速率。
C.旋液分离
悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋风分离器， 轻相由分离器中央排出， 霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用 重相由分离器下部排出， 过滤方法； 细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采 但不适合直径<5 μm颗粒去除（可用丝网分离器）。 用高速离心分离，如对发酵液进行预处理，也可 D.介质过滤 用过滤进行固液分离。
发酵液的预处理和固液分离方法
τ：过滤时间，s； µ：滤液粘度，Pa·s。
27
利用图解法求得，以τ/ q为纵坐标，以q为横坐标所得的直 线斜率为M，则rBຫໍສະໝຸດ 按下式进行计算：rB
=
2 M
∆ P X
B
µ
（1-3）
根据滤饼的质量比阻，可以衡量各种不同发酵液过滤 的难易程度。
28
• 影响过滤速度的因素。 影响过滤速度的因素。 • 菌种
34
•加入酶 加入酶 •
发酵液中有不溶性的多糖存在，则最好用 发酵液中有不溶性的多糖存在， 酶将它转化为单糖，以提高过滤速度。 酶将它转化为单糖，以提高过滤速度。 •如 ： 万古霉素发酵液 ， 加 0.0025%的细菌淀粉酶 ， 的细菌淀粉酶， 如 万古霉素发酵液， 的细菌淀粉酶 搅拌0.5hr，2.5%硅藻土助滤剂，υ↑5倍。 硅藻土助滤剂， ↑ 倍 搅拌 ， 硅藻土助滤剂 • • 发酵液染菌的处理： 升高温度， 发酵液染菌的处理 ： 升高温度 ， 增加催化剂 用量，加助滤剂。 用量，加助滤剂。
15
影响絮凝因素
•絮凝剂浓度
16
•pH值 值
17
影响絮凝的因素： 影响絮凝的因素：
发酵液性状有关，对不同发酵液选择不同种 类的絮凝剂； 2. 对同一种发酵液，还与絮凝剂 1.
1. 2. 3. 4. 5. 加量 分子量和类型 溶液的pH 溶液的 搅拌速度 时间
18
最新的发展趋势
• 亲和絮凝
19
9
10
• ⑶作为絮凝剂的条件： 作为絮凝剂的条件：
• 分子中必须必须有长链线状的分子结构，含有较多 分子中必须必须有长链线状的分子结构， 的活性基团，可以带多价电荷， 的活性基团，可以带多价电荷，能和悬浮颗粒表面 相结合。 相结合。 • 水溶性的聚合物，分子量可以很高。 水溶性的聚合物，分子量可以很高。 • 不影响产物的性能。 不影响产物的性能。 • 无毒。 无毒。
27
利用图解法求得，以τ/ q为纵坐标，以q为横坐标所得的直 线斜率为M，则rBຫໍສະໝຸດ 按下式进行计算：rB
=
2 M
∆ P X
B
µ
（1-3）
根据滤饼的质量比阻，可以衡量各种不同发酵液过滤 的难易程度。
28
• 影响过滤速度的因素。 影响过滤速度的因素。 • 菌种
34
•加入酶 加入酶 •
发酵液中有不溶性的多糖存在，则最好用 发酵液中有不溶性的多糖存在， 酶将它转化为单糖，以提高过滤速度。 酶将它转化为单糖，以提高过滤速度。 •如 ： 万古霉素发酵液 ， 加 0.0025%的细菌淀粉酶 ， 的细菌淀粉酶， 如 万古霉素发酵液， 的细菌淀粉酶 搅拌0.5hr，2.5%硅藻土助滤剂，υ↑5倍。 硅藻土助滤剂， ↑ 倍 搅拌 ， 硅藻土助滤剂 • • 发酵液染菌的处理： 升高温度， 发酵液染菌的处理 ： 升高温度 ， 增加催化剂 用量，加助滤剂。 用量，加助滤剂。
15
影响絮凝因素
•絮凝剂浓度
16
•pH值 值
17
影响絮凝的因素： 影响絮凝的因素：
发酵液性状有关，对不同发酵液选择不同种 类的絮凝剂； 2. 对同一种发酵液，还与絮凝剂 1.
1. 2. 3. 4. 5. 加量 分子量和类型 溶液的pH 溶液的 搅拌速度 时间
18
最新的发展趋势
• 亲和絮凝
19
9
10
• ⑶作为絮凝剂的条件： 作为絮凝剂的条件：
• 分子中必须必须有长链线状的分子结构，含有较多 分子中必须必须有长链线状的分子结构， 的活性基团，可以带多价电荷， 的活性基团，可以带多价电荷，能和悬浮颗粒表面 相结合。 相结合。 • 水溶性的聚合物，分子量可以很高。 水溶性的聚合物，分子量可以很高。 • 不影响产物的性能。 不影响产物的性能。 • 无毒。 无毒。
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常用絮凝剂的种类：
1.聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物： 非离子型： 阴离子型：（含-COOH） 阳离子型：（含-NH2）
2.苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂 聚合铝盐 聚合铁盐
3.天然有机高分子絮凝剂 明胶 海藻酸钠 骨胶 甲壳素 甲酰胺 多聚糖类胶粘物
四.发酵液的过滤：
4.1 过滤方程式：
通常微生物的发酵液多属非牛顿型液体，具可压缩性。
在恒压条件下，可压缩性滤饼的比阻值rB视为常数，其过滤方 程为：
q2=2*Δp/(μ*rB*XB)*τ 据滤饼的重量比阻rB可衡量不同发酵液过滤的难易程度。 rB 越小越易过滤，单位面积滤液量q越大。
4.2 固液分离设备：
板框压缩机 鼓式真空过滤机 离心分离机 错流过滤系统
第2章 发酵液的预处理和固液分离方法
一.发酵液的预处理： 二.凝聚和絮凝技术： 三.发酵液的过滤：
一.生化分离工程的工艺流程：
二.发酵液的预处理技术：
目的： 针对对象： 预处理方法： 高价离子的去除： 杂蛋白质的去除： 有色物质的去除
三.凝聚和絮凝技术
凝聚技术 絮凝技术
凝聚技术
扩散双电层的结构模型图 胶粒能保持分散状态的原因 双电层特征的表征和电动电位（ ξ） 常用的凝聚剂
常用的凝聚剂
Al2(SO4)3.18H2O(明矾)，AlCl3.6H2O，FeCl3， ZnSO 4，MgCO 3
阳离子对负电荷的胶粒凝聚能力次序为： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+
絮凝原理
架桥连接 絮凝作用的影响因素 常用絮凝剂的种类
絮凝作用的影响因素：
絮凝剂用量:絮凝效果呈钟形变化。 ? 溶液的pH：pH主要影响离子型絮凝剂中功能团 的电离度，从而影响了分子链的伸展状态，改变了 架桥能力。 ? 搅拌速度和时间： ? 助滤剂：添凝，凝聚，凝聚值，混凝 2.凝聚原理 3.絮凝机制 4.常用的凝聚剂有哪些？常用的絮凝剂有哪些？